冠脈支架的力學(xué)行為研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、心血管疾病是威脅人類健康的頭號(hào)疾病之一，通常都與血管狹窄甚至閉塞阻礙了血液正常流動(dòng)有關(guān)。經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈支架成形術(shù)具有微創(chuàng)性和手術(shù)成功率高等優(yōu)點(diǎn)成為治療這類疾病的主要手段之一，其技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展與提高，尤其是藥物支架的出現(xiàn)，成為支架技術(shù)的一個(gè)重大突破，但支架內(nèi)再狹窄(ISR)問(wèn)題并沒(méi)有徹底解決，ISR成為支架技術(shù)發(fā)展的主要潛在局限性因素。本博士論文立足于當(dāng)前冠脈支架治療心血管疾病的發(fā)展要求，以降低和預(yù)防支架內(nèi)再狹窄現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)，以改善

2、冠脈支架的擴(kuò)張性能、提高冠脈支架服役期的疲勞壽命和改善藥物支架在血管內(nèi)藥物釋放效用為目標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)輔助手段，主要完成了以下工作：
　　⑴建立了冠脈支架力學(xué)特性分析的一體化模型，用于研究冠脈支架在狹窄血管內(nèi)擴(kuò)張過(guò)程、支架植入后血管和支架內(nèi)的血流狀況，以及冠脈支架服役期的疲勞壽命分析的一體化過(guò)程。相對(duì)于現(xiàn)有模型在模擬求解支架內(nèi)血流狀況時(shí)通常忽略支架和血管組織擴(kuò)張產(chǎn)生的不規(guī)則變形，該模型充分考慮了支架和血管組織擴(kuò)張產(chǎn)生的不規(guī)則變形，使

3、計(jì)算模型更加逼近真實(shí)情況。利用該一體化模型分析了支架在狹窄血管內(nèi)擴(kuò)張的力學(xué)特性，研究了支架內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)狀況以及血液與支架和血管的相互作用，并在此基礎(chǔ)上對(duì)支架在血流作用下的疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。此外，還考察分析了冠脈支架的彎曲性能，揭示了支架彎曲性能隨彎矩變化的規(guī)律，指出冠脈支架的連接支柱對(duì)其彎曲性能影響的重要性。研究表明，支架擴(kuò)張過(guò)程中通常存在不均勻擴(kuò)張的現(xiàn)象（即dogboning效應(yīng)），支架在球囊卸載后存在徑向彈性回縮，它們都與再狹窄有

4、關(guān);支架在血流載荷作用下的疲勞壽命與其長(zhǎng)期安全性有關(guān)。
　?、漆槍?duì)冠脈支架設(shè)計(jì)中存在的設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間關(guān)系復(fù)雜且不能顯式表達(dá)的困難，將kriging代理模型優(yōu)化算法引入到冠脈支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，發(fā)展了一種與冠脈支架有限元分析相結(jié)合的kriging代理模型優(yōu)化算法，探索了在冠脈支架設(shè)計(jì)空間內(nèi)具有全局搜索能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了冠脈支架在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的全局最優(yōu)設(shè)計(jì)。然后針對(duì)提高冠脈支架擴(kuò)張性能和疲勞壽命的優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的三個(gè)關(guān)鍵

5、問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)討論，包括：①以支架幾何結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)變量，以最小化支架dogboning效應(yīng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，揭示了支架四個(gè)關(guān)鍵尺寸對(duì)dogboning效應(yīng)的影響規(guī)律。②以球囊長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)變量，以最小化支架dogboning效應(yīng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，揭示了球囊長(zhǎng)度對(duì)dogboning效應(yīng)的影響規(guī)律。③以冠脈支架幾何結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)變量，以提高支架服役期疲勞壽命為目的的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了冠脈支架服役期的疲勞壽命，分析了冠脈支架的疲勞特點(diǎn)。最后為滿足

6、冠脈支架設(shè)計(jì)中多個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)的需要，采用分級(jí)優(yōu)化和采用加權(quán)系數(shù)法分別實(shí)現(xiàn)了同時(shí)提高冠脈支架疲勞壽命和改善冠脈支架擴(kuò)張性能的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高冠脈支架綜合擴(kuò)張性能的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為冠脈支架設(shè)計(jì)中如何協(xié)調(diào)多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的問(wèn)題提供了參考。優(yōu)化結(jié)果表明，本文中發(fā)展的優(yōu)化算法能有效地應(yīng)用于冠脈支架單目標(biāo)和多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后冠脈支架的性能得到了顯著提高，為冠脈支架設(shè)計(jì)提供嶄新的思路和方法。
　?、轻槍?duì)藥物支架藥物釋放問(wèn)題中存在的藥效時(shí)間

7、難以控制的問(wèn)題，建立了DES涂層藥物在血管內(nèi)釋放的計(jì)算模型，該模型充分考慮了藥物在各層內(nèi)的擴(kuò)張作用以及層間的滲透作用。采用該模型模擬分析了藥物涂層支架的藥物在血管內(nèi)的釋放過(guò)程，揭示了藥物的釋放規(guī)律，并分析了涂層厚度和涂層滲透率對(duì)藥物釋放的影響。在此模擬求解和分析的基礎(chǔ)上，采用kriging代理模型優(yōu)化算法，以延長(zhǎng)涂層中藥物釋放的藥效時(shí)間為目的，首次對(duì)藥物支架的涂層進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：在攜帶藥物總量一定的前提下，優(yōu)化后涂層的藥物具有